自动控制系统概述

自动控制系统概述1第1页，共36页，2023年，2月20日，星期六§1-1引言自动控制

指在没有人参与的情况下，通过控制器或控制装置来控制机器或者设备等物理装置，使得机器设备的受控物理量按照希望的规律变化，达到控制的目的。自动控制技术广泛应用在各个领域

不仅广泛应用于工业控制中，在军事、农业、航空、航海、核能利用等领域也发挥着重要作用。回章首2第2页，共36页，2023年，2月20日，星期六

“自动控制原理”是自动控制学科的基础理论，是一门理论性较强的工程科学。

本课程的主要任务是研究与讨论控制系统的一般规律，从而设计出合理的自动控制系统，满足工农业生产和各种工程上的需要。回章首回节首3第3页，共36页，2023年，2月20日，星期六

自动控制理论的发展与应用可以改善劳动条件，把人类从繁重的劳动中解放出来；由于自动控制系统能以某种最佳方式运行，可以提高劳动生产率，提高产品质量，节约能源，降低成本。自动控制理论的应用是实现工业、农业、国防等方面科学技术现代化的有利工具。回章首回节首4第4页，共36页，2023年，2月20日，星期六§1-2开环控制与闭环控制

系统

指由内部互相联系的部件按照一定规律组成，能够完成一定功能的有机整体。

控制系统的两种最基本的形式：

开环控制和闭环控制，如图1-1(a)、(b)所示。回章首5第5页，共36页，2023年，2月20日，星期六输入量控制器控制量受控对象输出量（a）开环控制系统图1-1开环控制系统与闭环控制系统回章首回节首控制量输入量控制器受控对象输出量反馈元件-+（b）闭环控制系统6第6页，共36页，2023年，2月20日，星期六

开环控制

开环控制是最简单的一种控制方式。

特点：控制量与输出量之间仅有前向通路，而没有反馈通路。也就是说，输出量不能对控制量产生影响。开环控制系统结构简单、维护容易、成本低、不存在稳定性问题，应用于许多控制设备中。回章首回节首7第7页，共36页，2023年，2月20日，星期六缺点：控制精度取决于组成系统的元件的精度，因此对元器件的要求比较高。由于输出量不能反馈回来影响控制量，所以输出量受扰动信号的影响比较大，系统抗干扰能力差。根据上述特点，开环控制方式仅适用于输入量已知，控制精度要求不高，扰动作用不大的情况。开环控制系统一般是根据经验设计的。回章首回节首8第8页，共36页，2023年，2月20日，星期六

闭环控制不仅有一条从输入端到输出端的前向通路，还有一条从输出端到输入端的反馈通路。输出量通过一个测量变送元件反馈到输入端，与输入信号比较后得到偏差信号来作为控制器的输入，反馈的作用是减小偏差，以达到满意的控制效果。闭环控制又称为反馈控制。回章首回节首9第9页，共36页，2023年，2月20日，星期六

反馈：系统的输出量通过测量变送元件返回到系统的输入端，并和系统的输入量作比较的过程就称为反馈。

负反馈：如果输入量和反馈量相减则称为负反馈。

正反馈：如果输入量和反馈量相加则称为正反馈。控制系统中一般采用负反馈方式。

偏差信号：输入量与反馈量之差称为偏差信号。回章首回节首10第10页，共36页，2023年，2月20日，星期六闭环控制系统在控制上的特点

由于输出信号的反馈量与给定信号作比较产生偏差信号，利用偏差信号实现对输出量的控制或者调节，所以系统的输出量能够自动地跟踪给定量，减小跟踪误差，提高控制精度，抑制扰动信号的影响。

其他的优点：引进反馈通路后，使得系统对前向通路中元件参数的变化不灵敏，从而系统对于前向通路中元件的精度要求不高；反馈作用还可以使得整个系统对于某些非线性影响不灵敏等等。回章首回节首11第11页，共36页，2023年，2月20日，星期六图1-2直流电动机转速开环控制功率放大器电动机负载电位器V+

举例说明开环控制与闭环控制

图1-2是直流电动机转速开环控制示意图。电动机的转速可由调节电位器来给定。但当电动机受到负载变化影响时，电动机的转速是要发生变化的。

开环控制系统不能做到自动调节，控制的精度是比较低的。

回章首回节首12第12页，共36页，2023年，2月20日，星期六图1-3中，增加了一个由测速发动机构成的反馈回路，检测输出转速的变化并进行反馈。

闭环控制可以实现电动机转速的自动调节。

图1-3是直流电动机转速闭环控制示意图。图1-3直流电动机转速闭环控制V+功率放大器电动机负载电位器测速发电机回章首回节首13第13页，共36页，2023年，2月20日，星期六系统自动调节电动机转速的过程如下：

当系统受到负载扰动作用时，如果负载增大，则电动机的转速降低，测速发电机的端电压减小，功率放大器的输入电压增加，电动机的电枢电压上升，使得电动机的转速增加。如果负载减小，则电动机转速调节的过程与上述过程相反。

这样，消除或者抑制了负载扰动对于电动机转速的影响，提高了系统的控制精度。回章首回节首14第14页，共36页，2023年，2月20日，星期六综上所述•

闭环控制系统的自动控制或者自动调节作用是基于输出信号的负反馈作用而产生的。•

经典控制理论

主要研究对象是负反馈的闭环控制系统。

研究目的是得到它的一般规律，从而可以设计出符合设计要求的，满足实际需要的，性能指标优良控制系统。回章首回节首15第15页，共36页，2023年，2月20日，星期六§1-3自动控制与自动控制系统1-3-1自动控制系统的组成及定义

自动控制系统的基本结构如图1-4所示。控制器Gc受控对象Go反馈环节H+-输入量rucn扰动量输出量反馈量b偏差控制量图1-4自动控制系统的基本结构回章首16第16页，共36页，2023年，2月20日，星期六受控对象是指被控制的装置或者设备(如电动机、车床等)，有时也指受控的物理量。受控过程

受控物理量的变化过程称为受控过程。例如化学反应过程、水泥窑炉的生产过程等。一般用符号Go表示。参考输入(设定值)系统的给定输入信号，或者称为希望值，一般用符号r

表示。回章首回节首1.

控制系统的一些常用术语17第17页，共36页，2023年，2月20日，星期六控制量施加给受控对象的信号，使受控对象按照一定的规律运行，一般用符号u表示。

输出量控制系统的输出，即受控的物理量，一般用符号c表示。偏差信号系统的参考输入信号与反馈信号之差称为偏差，是控制系统中的一个重要参数，一般用符号表示。回章首回节首18第18页，共36页，2023年，2月20日，星期六扰动信号外界或者系统内部影响系统输出的干扰信号。外部的扰动称为外扰，它是系统的一个输入量。内部的扰动称为内扰，也可等价为系统的一个输入量。一般用符号n表示。前向通路从输入端到输出端的单方向通路。反馈通路从输出端到输入端的反方向通路。回章首回节首19第19页，共36页，2023年，2月20日，星期六2.控制系统的组成

一个典型的控制系统由以下几部分组成：

受控对象(或者受控过程，其定义如前所述)

定值元件

在常规仪表控制中，用它来产生参考输入或者设定值。设定值既可以由手动操作设定，也可以由自动装置给定。参考输入的值根据实际情况而定，其类型与变送器的类型相一致。

在当前的计算机控制中，参考输入或者设定值一般可以由计算机给出，因此没有专用的定值元件。回章首回节首20第20页，共36页，2023年，2月20日，星期六

控制器

接收偏差信号或者输入信号，通过一定的控制规律给出控制量，送到执行元件。如常规控制仪表(电动仪表，气动仪表)、可编程逻辑控制器(PLC)、工业控制计算机等都属于控制器。

执行元件

控制器与受控对象之间实现功率级别转换或者物理量纲转换的装置称为执行元件，又常称为执行机构或者执行器。常见的执行元件有步进电动机、电磁阀、气动阀、各种驱动装置等。回章首回节首21第21页，共36页，2023年，2月20日，星期六

测量变送元件

又称传感器，用于检测受控对象的输出量，如温度、压力、流量、位置转速等非电量，并变换成标准信号(一般是电信号)后作为反馈量送到控制器。例如各种压力传感器、流量传感器、差压变送器、测速发电机等。

比较元件

用以产生偏差信号来形成控制。

有的系统以标准装置的方式配以专用的比较器，大部分是以隐藏的方式合并在其它控制装置中，如计算机控制系统等。回章首回节首22第22页，共36页，2023年，2月20日，星期六1-3-2自动控制系统的分类前面已经介绍过开环控制系统与闭环控制系统，这是按照控制原理来分类的。下面再介绍自动控制系统的另外几种主要分类方法。1．恒值控制系统与随动控制系统

根据给定的参考输入信号的不同来分类。

恒值控制系统：系统的参考输入为恒值或者波动范围很小，系统的输出量也要求保持恒定，这类控制系统称为恒值控制系统。例如恒温控制系统和转速控制系统等。回章首回节首23第23页，共36页，2023年，2月20日，星期六

随动控制系统又称伺服控制系统：其参考输入值不断地变化，而且变化规律未知。控制的目的是使得系统的输出量能够准确地跟踪输入量的变化。随动控制系统常用于军事上对于机动目标的跟踪，例如雷达跟踪系统、坦克炮塔自稳系统等。回章首回节首24第24页，共36页，2023年，2月20日，星期六2.线性系统与非线性系统

根据系统数学性质的不同来分类。

线性系统的主要特征是满足叠加原理，即：当系统在输入信号u1(t)的作用下产生系统的输出y1(t)，当系统在输入信号u2(t)的作用下产生系统的输出y2(t)，系数a，b可以是常数，也可以是时变参数。这样的系统称为线性系统，否则称为非线性系统。本书所研究和讨论的主要是线性定常系统。如果系统的输入信号为系统的输出满足回章首回节首25第25页，共36页，2023年，2月20日，星期六3.连续时间系统与离散时间系统

根据时间信号的不同方式来对系统进行分类的。

连续时间系统：当系统的输入信号与输出信号均是以连续时间函数u(t)与y(t)来表示，则称为连续时间系统。

离散时间系统：当系统的输入信号与输出信号均以离散时间量u(kT)与y(kT)来表示，则称为离散时间系统。回章首回节首tu(t)0tu(kT)0T2TnT…图1-5

连续时间信号与离散时间信号两类时间信号如图1-5所示。26第26页，共36页，2023年，2月20日，星期六给定值A/D数字计算机D/A执行器受控对象传感器输出数字控制器+-图1-6计算机控制系统

在数字化与计算机控制的当今时代，是将连续时间系统等价为离散时间系统来分析与研究的，这样可方便地利用计算机作为控制器来实现系统控制。计算机控制系统如图1-6所示。回章首回节首27第27页，共36页，2023年，2月20日，星期六

4．单输入-单输出系统与多输入-多输出系统

回章首回节首图1-7单输入-单输出系统与多输入-多输出系统系统uy(a)SISO系统(b)MIMO系统系统u1u2umy2yry1单输入-单输出系统与多输入-多输出系统如图1-7所示。28第28页，共36页，2023年，2月20日，星期六

从端口关系上来分类，故不考虑端口内部的通路与结构。

单输入-单输出系统(SISO)：只有一个输入量和一个输出量。单输入-单输出系统是经典控制理论的主要研究对象。

多输入-多输出系统(MIMO)：多个输入量和多个输出量，其主要特点是输出与输入之间呈现多路耦合。与单输入-单输出系统相比，系统的结构要复杂得多，本书基本不予讨论。除了以上提到的分类方法外，自动控制系统还有其他的分类方法，如集中参数系统与分布参数系统、确定性系统与随机控制系统等。回章首回节首29第29页，共36页，2023年，2月20日，星期六1-3-3自动控制系统的设计

自动控制系统的设计方法根据实际情况的不同而不同。

首先要符合自动控制系统的基本要求，其次要遵循自动控制系统设计的基本原则。1.对自动控制系统的基本要求对于一个控制系统首要的要求是系统的绝对稳定性。在系统稳定的前提之下，要求系统的动态性能和稳态性能要好。系统的动态性能和稳态性能是由相应的性能指标来描述的。在此，对于系统的性能要求可以简要概括为:

响应动作要快动态过程平稳跟踪值要准确上述三条自动控制系统的基本要求如图1-8所示。回章首回节首30第30页，共36页，2023年，2月20日，星期六c(t)

给定值响应缓慢响应快速

tc(t)

变化剧烈响应平稳tc(t)

跟踪误差

t图1-8控制系统的基本要求(a)响应快速性(b)动态平稳性(c)跟踪准确性回章首回节首31第31页，共36页，2023年，2月20日，星期六图(a)显示了给定恒值信号时，系统达到稳态值的快速性。

图(b)说明了给定恒值信号时，系统的响应能够很快稳定在稳态值附近与在稳态值附近上下波动的两种比较情况。

图(c)说明了跟踪等速率变化信号时，系统的响应能否准确地跟踪输入信号。能够准确地跟踪的系统，就没有跟踪误差或者跟踪误差很小，否则，跟踪误差就大。回章首回节首32第32页，共36页，2023年，2月20日，星期六2.自动控制系统的设计原则

自动控制系统设计的目的是要保证系统的输出在给定性能要求的基础上跟踪输入信号,并且要有一定的抗干扰能力。自动控制系统的设计大体上可以归结为以下几个步骤：

(1)系统分析(2)系统设计(3)实验仿真(4)控制实现

回章首回节首在本书中，重点从理论上探讨、研究自动控制系统的分析问题和系统的设计问题(自动控制系统的校正)。33第33页，共36页，2023年，2月20日，星期六§1-4自动控制理论的发展1-4-1经典控制理论发展阶段